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集成化數(shù)控系統(tǒng)的特點及關(guān)鍵技術(shù)
1、引言
在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，由于英特網(wǎng)和分布式計算技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)品的設(shè)計和制造日益分散化，協(xié)同合作制造日益成為更快速、更經(jīng)濟的生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的有效模式。目前的數(shù)控系統(tǒng)正在向著集成化( Integrated)的方向發(fā)展，其目的在于為產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的各個獨立部門提供有效的協(xié)同工作環(huán)境。傳統(tǒng)的CIMS 技術(shù)大而全，在一般的中小企業(yè)很難實施，于是INC 應(yīng)運而生。
2、INC 的概念與關(guān)鍵技術(shù)
2.1 INC 的概念
集成化數(shù)控( Integrated Numerical Control ， INC) 將CIMS 中的功能實現(xiàn)(如CADPCAMPCAPPPNCP 等) 抽象為一系列獨立的功能模塊，再將這些功能模塊集成在一起便可組成一個具體的數(shù)控系統(tǒng) 。
以水射流機床所使用的INC 系統(tǒng)的整體工作流程為例(見圖1) ，其整個系統(tǒng)是建立在工程數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫包括花樣庫、切削用量庫、夾具庫、噴嘴庫、工藝庫、NC 代碼庫等，它們通過Intranet/Internet集成在一起，構(gòu)成了工程數(shù)據(jù)庫。INC 系統(tǒng)可分為6個子部件模塊輔助設(shè)計(CAD) 、輔助工藝(CAPP) 、優(yōu)化決策、數(shù)控加工(CNC) 、系統(tǒng)監(jiān)控和總體規(guī)劃。
圖1 水射流INC 系統(tǒng)工作流程圖
2.2 INC 與ONC、DNC 的區(qū)別
開放式數(shù)控(Open Numerical Control ，ONC) ，與傳統(tǒng)的CNC 系統(tǒng)相比較，ONC 的核心在于其開放性，它必須提供不同應(yīng)用程序運行于系統(tǒng)平臺之上的能力;提供面向功能的動態(tài)重組工具;提供統(tǒng)一、標準化的應(yīng)用程序用戶界面。世界各國相繼啟動了有許多關(guān)于開放式數(shù)控的研究計劃， 其中影響較大的有美國OMAC(Open Modular Architecture Controller) 計劃，歐共體的OSACA (Open System Architecture for Control withinAutomation) 和日本的OSEC(Open System Environment forController) 計劃等[3 ] 。直接數(shù)控(Direct Numerical Con-trol ， DNC) 和分布式數(shù)控(Distributed Numerical Control ，DNC) 系統(tǒng)的主要目標是更加有效地控制一組數(shù)控機床或是整個工廠的生產(chǎn)， 它實際上是一種分布式制造。
與ONC、DNC 不同， INC 是以數(shù)控為核心，它的各個模塊都是面向數(shù)控，它的一切工作都是為數(shù)控加工服務(wù)。例如，一般的CAM 系統(tǒng)注重特征識別、零件幾何造型的建立以及零件加工軌跡的定義等，而INC 的CAM 模塊中注重的是對零件加工過程的仿真和生成數(shù)控加工代碼，其目的是便于檢驗零件的手工編程或自動編程的數(shù)控加工程序是否正確。與分布式制造(Distributed Manufacturing) 相比較， INC 更接近于一種協(xié)同制造(Collaborative Manufacturing) 。
2.3 INC 的關(guān)鍵技術(shù)
INC 有三點關(guān)鍵技術(shù)面向數(shù)控的CAD 技術(shù);面向數(shù)控的CAPP 技術(shù)和基于CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術(shù)。
面向數(shù)控的CAD 技術(shù)包括圖像預(yù)處理、智能識別、圖像矢量化和CAD/CAPP 集成技術(shù)等。面向數(shù)控的CAPP 技術(shù)則包括路徑優(yōu)化、步驟優(yōu)化、CAPP/CAM集成、工藝數(shù)據(jù)庫的建立和管理技術(shù)等。
基于CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術(shù)，主要是與CAD/CAPP 集成系統(tǒng)的接口和交互的技術(shù)(基于STEP標準擴展的接口和交互技術(shù)) 、嵌入式設(shè)備研制技術(shù)和實時技術(shù)等。
本文將對基于CAD/CAPP 信息集成的接口和交互的技術(shù)進行討論與研究。
3、CNC與CAD/CAPP 的接口和交互技術(shù)
目前在工業(yè)化應(yīng)用中的NC 所采用的編程方式還是基于ISO 6983 (GPM 代碼) 標準，隨著計算機輔助系統(tǒng)CAX技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，該標準已越來越不能滿足現(xiàn)代NC 系統(tǒng)的要求，成為制約數(shù)控技術(shù)乃至自動化制造發(fā)展過程中的瓶頸問題。
1997 年歐共體提出了OPTIMAL 計劃，將STEP 技術(shù)延伸到自動化制造的底層設(shè)備，開發(fā)了一種遵從STEP 標準、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型(稱為STEP2NC) ，將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準擴展到CNC 領(lǐng)域，重新制定了CAD/CAPP 與CNC 之間的接口， 為實現(xiàn)CAD/CAPP/CNC 之間的無縫連接，進而實現(xiàn)真正意義上的完全開放式數(shù)控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[4]。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與CAD/CAPP 之間的數(shù)據(jù)交換是單向傳輸，現(xiàn)場對NC 程序的任何修改都無法直接反饋到CAD/CAPP 系統(tǒng)，生成NC 程序時記錄最初加工需求的信息已經(jīng)丟失。而使用STEP-NC 可減少加工信息容易丟失的問題，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動，能夠保存所做的修改，使零件程序和優(yōu)化的加工描述及時地反饋到設(shè)計部門(CAD) ，以便設(shè)計部門及時進行數(shù)據(jù)更新，獲得完整、連貫的加工過程數(shù)據(jù)文件。
圖2 所示是基于STEP-NC 標準的數(shù)據(jù)模型，其中包含了加工工件的所有任務(wù)，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺紋、倒角等) 進行編程，而不是直接對刀具與工件之間的相對運動進行編程。這樣，CNC 系統(tǒng)可以直接從CAD 系統(tǒng)讀取STEP 數(shù)據(jù)文件，消除了由于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換而可能導(dǎo)致的精度降低問題。
圖2 基于STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型
圖3 所示為一種采用了STEP-NC 標準的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，該結(jié)構(gòu)模型包含了當前STEP-NC 與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的3 種模式，模式1 是一種過渡形式，上層符合STEP 標準的CAD/CAPP 系統(tǒng)與STEP-NC 接口實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動，下層通過增加符合STEP-NC 標準代碼轉(zhuǎn)換接口，將STEP-NC 數(shù)據(jù)代碼轉(zhuǎn)換為GPM 等代碼，進而實現(xiàn)對現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的控制。模式2 是一種比較簡單、初級的模式，與模式1 的區(qū)別在于下層采用了新型STEP-NC 控制器，直接讀取STEP 數(shù)據(jù)格式加工文件。模式3 是模式2 的發(fā)展與完善，它使系統(tǒng)的集成度更高、設(shè)計層與車間層之間的功能重新劃分，實現(xiàn)CAPP 系統(tǒng)宏觀規(guī)劃與CAD 系統(tǒng)集成、微觀功能與車間層集成。鑒于ISO6983 標準在數(shù)控領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，在短期內(nèi)用ISO14649 標準將其完全取代不太現(xiàn)實，因此在STEP-NC 控制器廣泛使用之前，模式1 將長期保留在系統(tǒng)之中[5] 。
圖3 基于STEP 標準的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
基于STEP-NC 標準的CAD/CAPP/CNC 之間將會實現(xiàn)無縫連接，CAD/CAPP 與CNC 的雙向數(shù)據(jù)流動，使得設(shè)計部門能夠清楚地了解到加工實況，并且可根據(jù)現(xiàn)場編程返回的信息對生產(chǎn)規(guī)劃進行及時快速的調(diào)整，生產(chǎn)效率將得到極大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC 之間的功能將會重新劃分CAPP 系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃與CAD 系統(tǒng)集成，微觀功能與CNC 集成。
4、應(yīng)用實例
AWJ 水射流機床(國家專利產(chǎn)品) 是通過高壓管道形成高壓水射流或磨料射流，來實現(xiàn)對工件的切割以及拋光等操作。初始條件為工件的數(shù)碼圖像，經(jīng)過INC 的CAD/CAPP 集成系統(tǒng)處理后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺NC 子模塊，由CNC 子模塊生成加工仿真。INC 系統(tǒng)是基于Windows 平臺，應(yīng)用于水射流切割機的集成化數(shù)控加工。
圖4 所示是INC 系統(tǒng)的圖像預(yù)處理模塊，左上角是初始數(shù)碼圖像，經(jīng)過一系列處理后得到右下角的輪廓線。
圖4 圖像預(yù)處理模塊
圖5 所示是將經(jīng)過處理后的輪廓輸入CAD 軟件稍加修改，再由集成到CAD 軟件內(nèi)部的CAPP 軟件設(shè)計出合適的加工工藝。最后生成NC 代碼輸入模擬仿真軟件，如圖6 所示，可以進行仿真切割加工。這樣便完成了INC 系統(tǒng)中由數(shù)碼圖像到成品加工的一系列工作。
圖5 CAD/CAPP 模塊
圖6 數(shù)控加工模塊運行界面
5、結(jié)語
現(xiàn)代制造系統(tǒng)要求設(shè)計、工藝、制造等部門之間，實現(xiàn)適時的動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，在一個環(huán)境中協(xié)調(diào)運作，基于STEP-NC 的CNC 技術(shù)可以實現(xiàn)CAD/CAPP/CNC之間有效的集成，生產(chǎn)效率將得到極大的提高。加工數(shù)據(jù)流在整個加工過程中可以迅速地在各個部門、各個企業(yè)甚至國際間進行訪問和共享， CAD/CAPP 與CNC 之間的瓶頸效應(yīng)也不復(fù)存在，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將大大縮短。據(jù)STEP Tools 公司的研究數(shù)據(jù)表明，STEP-NC 的應(yīng)用將使目前加工前數(shù)據(jù)準備時間減少75 % ，工藝規(guī)劃時間減少35 % ，加工時間減少50 %。
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